JP2011020097A - Purification device and method - Google Patents
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Abstract
【課題】浄化効率を高くすることができる浄化装置を提供する。
【解決手段】液体Lqに溶解させたオゾンで不純物を処理する浄化装置に関する。オゾンを含有する気体がナノサイズの気泡Bとなって液体Lqに混合された気液混合液を生成する気液混合液生成部Sと、気液混合液生成部Sによって生成された気液混合液の気泡Bを崩壊させてオゾンを液体Lqに溶解するオゾン溶解部Mとを具備する。上記気液混合液生成部Sは、気液混合液に含有されるオゾンの濃度が液体Lqの飽和溶解濃度以上となるように、オゾンを含有する気体を液体Lqに加圧して供給する加圧部1を備える。
【選択図】図1A purification apparatus capable of increasing purification efficiency is provided.
The present invention relates to a purification apparatus for treating impurities with ozone dissolved in liquid Lq. A gas-liquid mixture generation unit S that generates a gas-liquid mixture mixed with the liquid Lq, in which the gas containing ozone becomes nano-sized bubbles B, and the gas-liquid mixture generated by the gas-liquid mixture generation unit S An ozone dissolving part M that breaks down the bubble B of the liquid and dissolves ozone in the liquid Lq. The gas-liquid mixture generator S pressurizes and supplies a gas containing ozone to the liquid Lq so that the concentration of ozone contained in the gas-liquid mixture is equal to or higher than the saturated dissolution concentration of the liquid Lq. Part 1 is provided.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、有機物などの不純物を含有する不純物含有液を浄化するための浄化方法及び浄化装置に関するものである。 The present invention relates to a purification method and a purification device for purifying an impurity-containing liquid containing impurities such as organic substances.
従来より、オゾンを用いた浄化装置が提案されている。例えば、特許文献1に記載された浄化装置は、ろ過機と、オゾンマイクロナノバブル発生水槽と、オゾンナノバブル発生水槽と、有機物汚泥分解槽とを備えており、オゾンマイクロナノバブル発生水槽には、オゾンマイクロナノバブル発生水槽内の水にオゾンマイクロナノバブルを発生する水中ポンプ型オゾンマイクロナノバブル発生装置と旋回流型オゾンマイクロナノバブル発生装置がそれぞれ設置されており、オゾンナノバブル発生水槽には、オゾンナノバブル発生水槽内の水にオゾンナノバブルを発生するオゾンナノバブル発生装置が設置されている。 Conventionally, purification devices using ozone have been proposed. For example, the purification device described in Patent Document 1 includes a filter, an ozone micro-nano bubble generation water tank, an ozone nano-bubble generation water tank, and an organic sludge decomposition tank. An underwater pump type ozone micro-nano bubble generator and a swirl type ozone micro-nano bubble generator that generate ozone micro-nano bubbles in the water in the nano-bubble generation tank are installed, respectively. An ozone nanobubble generator that generates ozone nanobubbles in water is installed.
そして、ろ過機でろ過された水が、オゾンマイクロナノバブル発生水槽とオゾンナノバブル発生水槽の少なくとも一方に導入されて、オゾンマイクロナノバブルを含有した水とオゾンナノバブルを含有した水とのうちの少なくとも一方が生成された後、有機物汚泥分解槽にオゾンマイクロナノバブルを含有した水と、オゾンナノバブルを含有した水とのうちの少なくとも一方と、ろ過機で捕捉された有機物汚泥とが導入され、これらの水と有機物汚泥とをブロアーにて撹拌することにより、オゾンで有機物汚泥を無機汚泥に変化させるようにしている。 And the water filtered with the filter is introduced into at least one of the ozone micro-nano bubble generation water tank and the ozone nano bubble generation water tank, and at least one of the water containing the ozone micro-nano bubble and the water containing the ozone nano bubble is After being generated, at least one of water containing ozone micro-nano bubbles and water containing ozone nano-bubbles and organic sludge captured by a filter are introduced into the organic sludge decomposition tank, and these water and By stirring the organic sludge with a blower, the organic sludge is changed to inorganic sludge with ozone.
しかし、上記の従来例では、水に含まれているオゾンマイクロナノバブルとオゾンナノバブルとの量が少なくて浄化効率が低いという問題があった。 However, the above conventional example has a problem that the amount of ozone micro-nano bubbles and ozone nano-bubbles contained in water is small and the purification efficiency is low.
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、浄化効率を高くすることができる浄化装置及び浄化方法を提供することを目的とするものである。 This invention is made | formed in view of said point, and it aims at providing the purification apparatus and purification method which can make purification efficiency high.
本発明の請求項1に係る浄化装置Aは、液体Lqに溶解させたオゾンで不純物を処理する浄化装置であって、オゾンを含有する気体がナノサイズの気泡Bとなって液体Lqに混合された気液混合液を生成する気液混合液生成部Sと、気液混合液生成部Sによって生成された気液混合液の気泡Bを崩壊させてオゾンを液体Lqに溶解するオゾン溶解部Mとを具備し、上記気液混合液生成部Sは、気液混合液に含有されるオゾンの濃度が液体Lqの飽和溶解濃度以上となるように、オゾンを含有する気体を液体Lqに加圧して供給する加圧部1を備えて成ることを特徴とするものである。 The purification apparatus A according to claim 1 of the present invention is a purification apparatus that treats impurities with ozone dissolved in the liquid Lq, and the gas containing ozone is mixed with the liquid Lq as nano-sized bubbles B. The gas-liquid mixture generating part S that generates the gas-liquid mixed liquid, and the ozone dissolving part M that dissolves ozone in the liquid Lq by collapsing the bubbles B of the gas-liquid mixed liquid generated by the gas-liquid mixed liquid generating part S The gas-liquid mixture generation unit S pressurizes the gas containing ozone to the liquid Lq so that the concentration of ozone contained in the gas-liquid mixture is equal to or higher than the saturated dissolution concentration of the liquid Lq. It is characterized by comprising a pressurizing unit 1 to be supplied.
本発明の請求項2に係る浄化装置Aは、請求項1において、オゾン溶解部Mが、少なくとも加温、超音波、マイクロ波、撹拌のいずれか1つ以上の手段を用いて気液混合液の気泡Bを崩壊させてオゾンを液体Lqに溶解するものであることを特徴とするものである。 The purifying apparatus A according to claim 2 of the present invention is the purifying apparatus A according to claim 1, wherein the ozone dissolving part M uses at least one of heating, ultrasonic waves, microwaves, and stirring. The bubble B is collapsed to dissolve ozone in the liquid Lq.
本発明の請求項3に係る浄化方法は、オゾンを含有する気体をナノサイズの気泡Bとなるように液体Lqに加圧して混合することによって、オゾンの濃度を液体Lqの飽和溶解濃度以上にした気液混合液を生成し、気液混合液の気泡Bを崩壊させてオゾンを液体Lqに溶解することによって、溶解したオゾンで不純物を処理することを特徴とするものである。 In the purification method according to claim 3 of the present invention, the concentration of ozone is set to be equal to or higher than the saturated dissolution concentration of the liquid Lq by pressurizing and mixing the gas containing ozone to the liquid Lq so as to become nano-sized bubbles B. The gas-liquid mixed liquid is generated, the bubbles B of the gas-liquid mixed liquid are collapsed, and ozone is dissolved in the liquid Lq, whereby impurities are treated with the dissolved ozone.
本発明の請求項4に係る浄化方法は、請求項3において、気液混合液の気泡Bを崩壊させてオゾンを液体Lqに溶解するにあたって、少なくとも加温、超音波、マイクロ波、撹拌のいずれか1つ以上の手段を用いることを特徴とするものである。 The purification method according to claim 4 of the present invention is the purification method according to claim 3, wherein at least one of heating, ultrasonic waves, microwaves, and stirring is performed when the bubbles B of the gas-liquid mixed solution are collapsed to dissolve ozone in the liquid Lq. One or more means are used.
本発明の請求項5に係る浄化方法は、請求項3又は4において、液体Lqが水であることを特徴とするものである。 The purification method according to claim 5 of the present invention is characterized in that, in claim 3 or 4, the liquid Lq is water.
本発明の請求項6に係る浄化方法は、請求項3乃至5のいずれか1項において、気液混合液が、水素結合を形成する分子からなる液体Lq中に気泡Bが存在するものであって、液体Lqの気泡Bとの界面に存在する分子の水素結合の距離が、該液体Lqが常温常圧であるときの水素結合の距離よりも短いことを特徴とするものである。 The purifying method according to claim 6 of the present invention is the purifying method according to any one of claims 3 to 5, wherein the gas-liquid mixed liquid contains bubbles B in the liquid Lq composed of molecules that form hydrogen bonds. Thus, the hydrogen bond distance of molecules present at the interface of the liquid Lq with the bubble B is shorter than the hydrogen bond distance when the liquid Lq is at normal temperature and pressure.
本発明の請求項7に係る浄化方法は、請求項3乃至6のいずれか1項において、液体Lqが、O−H結合、N−H結合、(ハロゲン)−H結合、S−H結合のいずれか1種類以上を有する分子からなることを特徴とするものである。 The purification method according to claim 7 of the present invention is the purification method according to any one of claims 3 to 6, wherein the liquid Lq is an O—H bond, an N—H bond, a (halogen) —H bond, or an S—H bond. It consists of a molecule | numerator which has any one or more types.
本発明の請求項8に係る浄化方法は、請求項3乃至7のいずれか1項において、気液混合液の気泡Bを形成している気体の圧力が、以下のヤングラプラスの式で与えられる気泡の内圧より高い圧力であることを特徴とするものである。 The purification method according to claim 8 of the present invention is the purification method according to any one of claims 3 to 7, wherein the pressure of the gas forming the bubble B of the gas-liquid mixture is given by the following Young Laplace equation: The pressure is higher than the internal pressure of the bubbles.
ヤングラプラスの式
ΔP=2σ/r
[ΔP:気泡内部の上昇圧力、 σ:表面張力、 r:気泡半径]
Young Laplace's formula ΔP = 2σ / r
[ΔP: rising pressure inside the bubble, σ: surface tension, r: bubble radius]
請求項1の発明では、加圧部1の加圧によりオゾンの濃度が液体Lqの飽和溶解濃度以上の高濃度となった気液混合液で不純物を処理することができ、液体Lq中に溶解させたオゾンにより不純物の分解や除去などの浄化効率を高くすることができるものである。 In the first aspect of the invention, impurities can be treated with the gas-liquid mixture whose ozone concentration has become higher than the saturated dissolution concentration of the liquid Lq by pressurization of the pressurizing unit 1, and dissolved in the liquid Lq. Purified efficiency such as decomposition and removal of impurities can be increased by the ozone applied.
請求項2の発明では、オゾン溶解部Mにより気泡Bを確実に崩壊させてオゾンを液体Lqに溶解させることができ、溶解したオゾンにより液体Lq中の不純物の浄化効率を高くすることができるものである。 In the invention of claim 2, the bubble B can be surely collapsed by the ozone dissolving part M to dissolve ozone in the liquid Lq, and the purification efficiency of impurities in the liquid Lq can be increased by the dissolved ozone. It is.
請求項3の発明では、加圧によりオゾンの濃度が液体Lqの飽和溶解濃度以上の高濃度となった気液混合液で不純物を処理することができ、液体Lq中に溶解させたオゾンにより不純物の分解や除去などの浄化効率を高くすることができるものである。 In the invention of claim 3, impurities can be treated with a gas-liquid mixed liquid whose ozone concentration is higher than the saturated dissolution concentration of liquid Lq by pressurization, and the impurities are dissolved by ozone dissolved in liquid Lq. It is possible to increase the purification efficiency such as the decomposition and removal of the water.
請求項4の発明では、気泡Bを崩壊させてオゾンを液体Lqに確実に溶解させることができ、溶解したオゾンにより液体Lq中の不純物の浄化効率を高くすることができるものである。 In the invention of claim 4, the bubbles B can be collapsed to reliably dissolve ozone in the liquid Lq, and the dissolved ozone can increase the purification efficiency of impurities in the liquid Lq.
請求項5の発明では、特別な液体を用いることなく簡単に気液混合液を得ることができるものであり、また、水分子は、O…Hの水素結合、つまり、ある水分子の酸素原子と他の水分子の水素原子との間に強固な結合を形成するので、気泡界面における水素結合が強固になって気泡Bをより安定化させることができるものである。 In the invention of claim 5, a gas-liquid mixture can be easily obtained without using a special liquid, and the water molecule is an O ... H hydrogen bond, that is, an oxygen atom of a certain water molecule. Since a strong bond is formed between the hydrogen atom and the hydrogen atom of another water molecule, the hydrogen bond at the bubble interface is strengthened and the bubble B can be further stabilized.
請求項6の発明では、気泡界面における水素結合の距離が短くなることにより、気泡Bの周囲を強固な水素結合を形成した液体分子で取り囲むことができ、この水素結合を形成した液体分子は強固な殻となって気泡Bを包み込むので、気泡B同士が衝突しても崩壊することがないと共に液体Lqからの圧力に対して気泡内部からの応力で対抗でき、オゾンを含有した気泡Bを液体Lq中で消滅させたり合体させたりすることなく安定に存在させることができるものである。そして、この水素結合は長期間に亘って安定であるので、オゾンを含有した気泡Bが安定に存在した気液混合液を得ることが可能となるものである。また、ナノオーダーサイズのオゾンを含有する気泡Bを、従来レベルより遙かに超えた密度で生成し液体Lqに安定して存在させることが可能となるものである。 In the invention of claim 6, since the distance of the hydrogen bond at the bubble interface is shortened, the periphery of the bubble B can be surrounded by liquid molecules that form a strong hydrogen bond, and the liquid molecule that forms the hydrogen bond is strong. Since the bubble B is encased and envelops the bubble B, it does not collapse even if the bubbles B collide with each other, and can counteract the pressure from the liquid Lq by the stress from the inside of the bubble, and the bubble B containing ozone is liquid It can exist stably without disappearing or coalescing in Lq. And since this hydrogen bond is stable over a long period of time, it is possible to obtain a gas-liquid mixture in which bubbles B containing ozone are stably present. In addition, the bubbles B containing nano-order size ozone can be generated at a density far exceeding the conventional level and can be stably present in the liquid Lq.
請求項7の発明では、液体Lqが、O−H結合、N−H結合、(ハロゲン)−H結合、S−H結合のいずれか1種類以上を有する分子からなる液体であるので、これらの結合が、水素原子に対して電気陰性度が十分に大きい原子と水素原子との結合であり、O−H…O、N−H…N、F−H…FやCl−H…Clなどの(ハロゲン)−H…(ハロゲン)、S−H…Sといった強い水素結合を形成し、この水素結合により気泡を取り囲んで気泡Bを安定化させることができるものである。 In the invention of claim 7, since the liquid Lq is a liquid composed of molecules having any one or more of OH bond, NH bond, (halogen) -H bond, and SH bond, these The bond is a bond between a hydrogen atom and an atom having a sufficiently large electronegativity relative to a hydrogen atom, such as OH ... O, NH ... N, F-H ... F, Cl-H ... Cl, and the like. A strong hydrogen bond such as (halogen) -H (halogen), S—H... S is formed, and the bubble B can be stabilized by surrounding the bubble by the hydrogen bond.
請求項8の発明では、気泡Bの内圧がヤングラプラスの式で与えられる圧力になると気泡Bが高い内部圧で維持されることになり、より強固な界面構造を形成することができるので、静置状態において安定な気泡Bを形成することができるものである。 In the invention of claim 8, when the internal pressure of the bubble B becomes a pressure given by the Young Laplace formula, the bubble B is maintained at a high internal pressure, and a stronger interface structure can be formed. It is possible to form a stable bubble B in the installed state.
以下、本発明を実施するための形態を説明する。 Hereinafter, modes for carrying out the present invention will be described.
本発明の浄化装置Aは、図1に示すように、気液混合液生成部Sとオゾン溶解部Mを備えて形成されている。気液混合液生成部Sは液体Lqを圧送して連続的に気液混合液を製造する装置であり、液体貯留槽12から大気圧(0.1MPa)で保持されている液体Lqを取り出し圧送して加圧する加圧部1と、加圧された液体Lqにオゾンを含有する気体を供給する気体供給部2と、供給された気体を微細な気泡にして液体Lqと混合させる気液混合部3と、気液混合部3中の気液混合液に存在する大きな気泡を除去する脱気泡部(気液分離槽)4と、脱気泡部4により大きな気泡が取り除かれた気液混合液の圧力を、大きな気泡を発生させることなく徐々に大気圧まで減圧させる減圧部5と、減圧された気液混合液を吐出する吐出部7とを備え、各部は流路6に接続して設けられている。 As shown in FIG. 1, the purification device A of the present invention includes a gas-liquid mixed liquid generation unit S and an ozone dissolution unit M. The gas-liquid mixture generation unit S is an apparatus that continuously pumps the liquid Lq to produce a gas-liquid mixture, and takes out the liquid Lq held at atmospheric pressure (0.1 MPa) from the liquid reservoir 12 and pumps it. Pressurizing unit 1 for pressurizing, gas supplying unit 2 for supplying a gas containing ozone to pressurized liquid Lq, and gas-liquid mixing unit for making the supplied gas into fine bubbles and mixing with liquid Lq 3, a defoaming part (gas-liquid separation tank) 4 for removing large bubbles present in the gas-liquid mixed liquid in the gas-liquid mixing part 3, and a gas-liquid mixed liquid from which large bubbles are removed by the degassing part 4 A pressure reducing section 5 that gradually reduces the pressure to atmospheric pressure without generating large bubbles and a discharge section 7 that discharges the decompressed gas-liquid mixed liquid are provided. ing.
加圧部1は気液混合部3に液体Lqを圧送するものであり、例えば、この装置のように、液体貯留槽12から液体Lqを吸い上げるポンプ11などで構成できる。 The pressurizing unit 1 pumps the liquid Lq to the gas-liquid mixing unit 3 and can be constituted by, for example, a pump 11 that sucks up the liquid Lq from the liquid storage tank 12 as in this device.
気体供給部2は、流路6に接続されることにより液体Lqにオゾンを含有する気体を供給するものである。例えば、オゾン注入配管2aにオゾン発生器2bと圧力調整弁2cを設けて形成されている。オゾン発生器2bは圧力調整弁2cよりも流路6側に設けられるものであり、オゾン発生器2bとしては、例えば、吸引口2dから取り入れた空気中の酸素から電気放電によってオゾンを生成するものを用いることができる。また、このようなオゾン発生器2bを用いてオゾン注入部2を形成するほかに、オゾンを封入したボンベからオゾンを供給するようにしてオゾン注入部2を形成することもできる。流路6へのオゾン注入部2の接続位置は、気体供給部3より上流側の位置であればよく、図1のように、加圧部1より上流側の流路6に接続するようにしても、あるいは加圧部1よりも下流側の流路6に接続するようにしてもいずれでも良い。 The gas supply unit 2 is connected to the flow path 6 to supply a gas containing ozone to the liquid Lq. For example, an ozone generator 2b and a pressure regulating valve 2c are provided on the ozone injection pipe 2a. The ozone generator 2b is provided closer to the flow path 6 than the pressure regulating valve 2c. As the ozone generator 2b, for example, ozone is generated by electric discharge from oxygen in the air taken in from the suction port 2d. Can be used. In addition to forming the ozone injection part 2 using such an ozone generator 2b, the ozone injection part 2 can be formed by supplying ozone from a cylinder filled with ozone. The connection position of the ozone injection part 2 to the flow path 6 may be a position upstream from the gas supply part 3 and is connected to the flow path 6 upstream from the pressurization part 1 as shown in FIG. Alternatively, it may be either connected to the flow path 6 on the downstream side of the pressurizing unit 1.
気液混合部3は圧送された液体Lqとこの液体Lqに注入された気体とを混合し、加圧により気体を微細な気泡にして液体Lq中に分散・混合させるものである。気液混合部3としては、流路の断面積変化などで撹拌力を与えるもので構成することもできるし、また液体Lqが撹拌された状態で流路6を流れているのであれば単に流路6で構成することもできる。この装置のように気体供給部2が加圧部1より上流側の流路6にある場合は、ポンプ11などで構成された加圧部1を気液混合部3と兼用してもよい。気液の加圧及び混合をポンプ11により行った場合、液体Lqを急激に加圧・混合することができるので、気泡界面の構造が強固な気液混合液を確実に生成することができる。また、気液混合部3をベンチュリ管で構成することも好ましい。その場合、簡単な構成で液体を急激に加圧・混合することができる。気液混合部3内においては液体と気体が高圧条件で混合される。それにより、気泡Bの周囲に強固な界面構造が形成され、この強固な界面構造の殻で気泡Bを覆うことができ、気体を微細な気泡として安定化することができるものである。 The gas-liquid mixing unit 3 mixes the liquid Lq sent under pressure and the gas injected into the liquid Lq, and makes the gas into fine bubbles by pressurization to disperse and mix in the liquid Lq. The gas-liquid mixing unit 3 can be configured to give a stirring force by changing the cross-sectional area of the flow path or the like, and if the liquid Lq is flowing in the flow path 6 with stirring, the flow is simply flowed. It can also be constituted by a path 6. When the gas supply unit 2 is in the flow path 6 on the upstream side of the pressurizing unit 1 as in this apparatus, the pressurizing unit 1 constituted by the pump 11 or the like may also be used as the gas-liquid mixing unit 3. When pressurization and mixing of gas and liquid are performed by the pump 11, the liquid Lq can be rapidly pressurized and mixed, so that a gas-liquid mixture having a strong structure at the bubble interface can be reliably generated. Moreover, it is also preferable that the gas-liquid mixing unit 3 is constituted by a Venturi tube. In that case, the liquid can be rapidly pressurized and mixed with a simple configuration. In the gas-liquid mixing unit 3, the liquid and the gas are mixed under high pressure conditions. Thereby, a strong interface structure is formed around the bubble B, the bubble B can be covered with the shell of the strong interface structure, and the gas can be stabilized as a fine bubble.
上記のような加圧部1及び気液混合部3により、気体が注入された液体に急激に強力な圧力が加わって、液体中に存在している気泡は微細なナノサイズの気泡へと細分されて液体に分散される。また、急激な圧力変化により高圧になった気泡の界面には液体分子により強固な界面構造が形成される。その際、加圧速度ΔP1/t(ΔP1:圧力増加量、t:時間)が0.17MPa/sec以上になることにより、気泡を細分化させて微細なナノサイズの気泡を生成することができ、気液混合部3から脱気泡部4に送り出される際の気液混合液の圧力が0.15MPa以上になることにより、気泡Bの界面が強固な構造となったナノサイズの気泡Bを生成することができるものである。実質的な加圧条件を考慮すると、加圧速度ΔP1/tの上限は167MPa/secであり、加圧された気液混合液の圧力の上限は50MPaである。 By the pressurization unit 1 and the gas-liquid mixing unit 3 as described above, a strong pressure is suddenly applied to the liquid into which the gas is injected, and the bubbles existing in the liquid are subdivided into fine nano-sized bubbles. And dispersed in the liquid. In addition, a strong interface structure is formed by liquid molecules at the interface of the bubbles that have become high pressure due to a sudden pressure change. At that time, when the pressurization rate ΔP 1 / t (ΔP 1 : pressure increase, t: time) is 0.17 MPa / sec or more, the bubbles are subdivided to generate fine nano-sized bubbles. Nano-sized bubble B in which the interface of the bubble B has a strong structure when the pressure of the gas-liquid mixed solution when being sent out from the gas-liquid mixing unit 3 to the defoaming unit 4 becomes 0.15 MPa or more. Can be generated. In consideration of substantial pressurization conditions, the upper limit of the pressurization rate ΔP 1 / t is 167 MPa / sec, and the upper limit of the pressure of the pressurized gas-liquid mixture is 50 MPa.
図3は、ポンプ11の具体的な形態の一例を示す要部の概略図である。このポンプ11aは回転体21の回転により液体を加圧するものであり、回転体21に取り付けられた回転翼22が連続的に回転してポンプ入口26からポンプ流路室23を介してポンプ出口27への流れ方向へ液体を送り出し加圧するものである。図において白抜き矢印は液体の流れ方向を示し、実線矢印は回転体21の回転方向を示している。このポンプ11aでは4枚の回転翼22が備えられている。また回転体21の回転軸25は、円筒状に形成されたポンプ壁24の円筒中心よりもポンプ出口27側に偏って配置され、偏心軸となって設けられている。そして、回転軸21の偏心によりポンプ流路室23の第二流路室23bの容積は、第一流路室23aの容積よりも小さく形成されており、液体の流れ方向に沿ってポンプ流路室23の容積が順次小さくなっている。 FIG. 3 is a schematic view of a main part showing an example of a specific form of the pump 11. The pump 11 a pressurizes the liquid by the rotation of the rotating body 21, and the rotating blades 22 attached to the rotating body 21 continuously rotate to pump the pump outlet 27 through the pump passage chamber 23 from the pump inlet 26. The liquid is sent out in the direction of flow to and pressurized. In the figure, the white arrow indicates the flow direction of the liquid, and the solid line arrow indicates the rotation direction of the rotating body 21. The pump 11a includes four rotary blades 22. Further, the rotating shaft 25 of the rotating body 21 is arranged so as to be deviated toward the pump outlet 27 side from the cylindrical center of the pump wall 24 formed in a cylindrical shape, and is provided as an eccentric shaft. The volume of the second flow path chamber 23b of the pump flow path chamber 23 is formed smaller than the volume of the first flow path chamber 23a due to the eccentricity of the rotary shaft 21, and the pump flow path chamber is arranged along the liquid flow direction. The volume of 23 is gradually reduced.
そして、ポンプ流路室23に送り出された液体は、回転翼22で送り出され加圧され、急激な圧力変化により大きな気泡BBが細分化されて微細なナノサイズの気泡BNが生成される。すなわち、回転体21の回転と共に第一流路室23aから第二流路室23bに送られた液体は、ポンプ流路室23の容積が小さくなることにより急速に圧縮されて加圧され、この加圧力によりナノサイズの気泡BNが生成される。また、図示のポンプ11aでは、ポンプ壁24の内面と回転翼22の先端部との間を液体が通過するときに剪断力が与えられて、液体をクリアランスで剪断しながら加圧する。このとき、液体に混合されている気体(大きな気泡BB)は液体に与えられた剪断力によって剪断されて、より微細なナノサイズの気泡(BN)になる。ここで、ポンプ壁24の内面と回転翼22の先端部との間の最も狭くなる部分の距離、すなわちクリアランス距離LCは、5μm〜2mmであることが好ましい。このように、回転体21を用いたポンプ11aによれば、回転体21で急激に強い力で加圧すると共に液体に注入された気体を剪断してナノサイズの気泡を形成することができるので、気泡界面の構造が強固な気液混合液をより確実に生成することができるものである。 Then, the liquid fed to the pump flow passage chamber 23 is pressurized is fed by rotating blades 22, large bubbles B B due to rapid pressure changes bubbles B N of subdivided by fine nano-sized generated . That is, the liquid sent from the first flow path chamber 23a to the second flow path chamber 23b along with the rotation of the rotating body 21 is rapidly compressed and pressurized as the volume of the pump flow path chamber 23 becomes smaller. Nano-sized bubbles BN are generated by the pressure. Further, in the illustrated pump 11a, a shearing force is applied when the liquid passes between the inner surface of the pump wall 24 and the tip of the rotor blade 22, and the liquid is pressurized while being sheared by the clearance. At this time, the gas (large bubbles B B ) mixed in the liquid is sheared by the shearing force applied to the liquid and becomes finer nano-sized bubbles (B N ). The distance narrowest part between the inner surface of the pump wall 24 and the tip portion of the rotor blades 22, i.e. the clearance distance L C is preferably 5Myuemu~2mm. Thus, according to the pump 11a using the rotator 21, it is possible to form nano-sized bubbles by shearing the gas injected into the liquid while being rapidly pressurized with the rotator 21 with a strong force. A gas-liquid mixture having a strong bubble interface structure can be generated more reliably.
ポンプ11の回転体21の回転数は100rpm以上であることが好ましい。このとき、0.3秒に1/2回転以上となる。このような回転数となることにより、飽和溶解濃度以上の気体を液体に注入させて水素結合距離が短縮したナノサイズの気泡を確実に生成することができるものである。 The rotational speed of the rotating body 21 of the pump 11 is preferably 100 rpm or more. At this time, it becomes 1/2 rotation or more in 0.3 seconds. By having such a rotational speed, it is possible to reliably generate nano-sized bubbles in which the hydrogen bond distance is shortened by injecting a gas having a saturation dissolution concentration or more into the liquid.
加圧部1及び気液混合部3による加圧は、加圧部1又は気液混合部3を複数設けて、複数回加圧することができる。液体を送りながら複数回加圧することにより、加圧を複数のポンプ11やベンチュリ管によって行うことができ、液体を強力に加圧して、気泡界面の構造が強固な気液混合液を生成することができるものである。具体的には、加圧部1をポンプ11で構成すると共に、気液混合部3を一つ又は二つ以上のポンプ11又はベンチュリ管で構成することができるものである。 The pressurization by the pressurizing unit 1 and the gas-liquid mixing unit 3 can be performed multiple times by providing a plurality of pressurizing units 1 or gas-liquid mixing units 3. By pressurizing the liquid a plurality of times while feeding the liquid, the pressurization can be performed by a plurality of pumps 11 and venturi pipes, and the liquid is strongly pressurized to generate a gas-liquid mixture having a strong bubble interface structure. It is something that can be done. Specifically, the pressurizing unit 1 can be composed of a pump 11 and the gas-liquid mixing unit 3 can be composed of one or two or more pumps 11 or Venturi tubes.
脱気泡部4は上記のようにして気体が混合された液体から、ナノサイズを超える気泡、すなわち直径1μmを超える気泡を取り除くものであり、気泡をそれ自身の浮力で上昇させて取り除くようにした管体などで構成することができる。取り除かれた気泡は気体となって上部に集積するので、この除去された気体を気体除去部8により取り除くことができる。直径1μmを超えるサイズの気泡(マイクロサイズの気泡)は、浮力により上昇するので、このような比較的大きい気泡が取り除かれて微細な気泡であるナノサイズの気泡が液体中に存在することにより、界面構造が強固で安定な気液混合液を得ることができるものである。 The defoaming section 4 is for removing bubbles exceeding nanosize, that is, bubbles exceeding 1 μm in diameter, from the liquid in which the gas is mixed as described above. The bubbles are lifted by their own buoyancy and removed. It can be composed of a tube or the like. Since the removed bubbles become gas and accumulate on the upper part, the removed gas can be removed by the gas removing unit 8. Bubbles of a size exceeding 1 μm in diameter (micro-sized bubbles) are raised by buoyancy, so that relatively large bubbles are removed and nano-sized bubbles that are fine bubbles are present in the liquid. It is possible to obtain a stable gas-liquid mixture having a strong interface structure.
脱気泡部4としては、具体的には、図4のような構成にすることができる。(a)は、気液混合部3と連続して地表面に略水平(重力方向に対して略垂直な平面上)になるように形成し、液体Lq中の気泡Bをその浮力によって液面まで上昇させて気泡Bを取り除くようにした管体の例を示している。また、(b)は、気液混合部3と連続すると共に気液混合部3と合わせた形状が正面視逆L字型になるように形成し、液体Lqの流れ方向を下方向(重力方向と略同方向)にして液体Lq中の気泡Bをその浮力によって液面まで上昇させて気泡Bを取り除くようにした管体の例を示している。また、(c)は、気液混合部3とは別体にし、液体Lqの流れ方向を下方向(重力方向と略同方向)にして液体Lq中の気泡Bをその浮力によって液面まで上昇させて気泡Bを取り除くようにした管体の例を示している。脱気泡部4で取り除かれた気泡の気体は脱気泡部4に接続されたオゾン注入配管2aにより気体供給部2に返送され、再度、オゾンを含む気体として利用されるものであり、オゾンが系外に排出されることがなく安全であり、また、オゾンを含む気体の損失がなく、経済的である。 Specifically, the defoaming portion 4 can be configured as shown in FIG. (A) is formed so as to be substantially horizontal to the ground surface (on a plane substantially perpendicular to the direction of gravity) continuously with the gas-liquid mixing unit 3, and the bubbles B in the liquid Lq are It shows an example of a tubular body that is lifted up to remove bubbles B. (B) is formed so that the shape combined with the gas-liquid mixing unit 3 and the gas-liquid mixing unit 3 is a reverse L-shape when viewed from the front, and the flow direction of the liquid Lq is downward (the direction of gravity) In this example, the bubbles B are removed by raising the bubbles B in the liquid Lq to the liquid level by the buoyancy. Further, (c) is separated from the gas-liquid mixing unit 3, and the flow direction of the liquid Lq is set downward (substantially the same direction as the direction of gravity), and the bubbles B in the liquid Lq are raised to the liquid level by the buoyancy. This shows an example of a tubular body that is made to remove bubbles B. The bubble gas removed by the defoaming section 4 is returned to the gas supply section 2 by the ozone injection pipe 2a connected to the defoaming section 4, and is used again as a gas containing ozone. It is safe because it is not discharged outside, and it is economical because there is no loss of gas containing ozone.
減圧部5は気体が混合された液体の圧力を、大きな気泡を発生させることなく徐々に大気圧まで減圧させるものである。上記のようにして加圧により気体と混合された液体は、高圧な状態にありそのまま大気圧下にある外部に排出されると、急激な圧力低下によって、気液混合液中の気泡が合体して気体になって液体から排出されるおそれがあり、またキャビテーションが発生することがある。そこで、減圧部5を設け、加圧された状態の気液混合液を送り出す際に、減圧部5で大気圧まで徐々に減圧をした後に吐出するようにしているものである。減圧部5は、気体が混合された液体を送りながら配管全域での減圧速度ΔP2/t(ΔP2:減圧量、t:時間)の上限を2000MPa/sec以下にして減圧するように構成されている。それにより、強固な気泡界面の構造を維持させたまま、ナノサイズの気泡を消滅させたり合体させたりすることなく気液混合液を取り出すことができるものである。 The decompression unit 5 gradually reduces the pressure of the liquid mixed with gas to atmospheric pressure without generating large bubbles. When the liquid mixed with gas by pressurization as described above is in a high-pressure state and is discharged to the outside under atmospheric pressure as it is, bubbles in the gas-liquid mixture are combined due to a sudden pressure drop. May become a gas and be discharged from the liquid, and cavitation may occur. Therefore, the decompression unit 5 is provided, and when the gas-liquid mixture in a pressurized state is sent out, the decompression unit 5 gradually reduces the pressure to atmospheric pressure and then discharges it. The decompression unit 5 is configured to decompress while reducing the upper limit of the decompression speed ΔP 2 / t (ΔP 2 : decompression amount, t: time) over the entire piping while sending a liquid in which gas is mixed. ing. Thus, the gas-liquid mixture can be taken out without erasing or coalescing the nano-sized bubbles while maintaining the structure of the strong bubble interface.
減圧部5としては、図5のような構成にすることができ、具体的には、(a)のように流路断面積が段階的に徐々に小さくなる流路6や、(b)のように流路断面積が連続的に徐々に小さくなる流路6や、(c)のように加圧された液体が流路6内を流れる圧力損失により高圧状態(P1)の気液混合液の圧力を徐々に低下させて(P2、P3、・・・)大気圧(Pn)まで減圧するように流路長さ(L)が調整された流路6や、(d)のように流路6に設けられた複数の圧力調整弁9などにより構成することができる。 The decompression section 5 can be configured as shown in FIG. 5, and specifically, the flow path 6 in which the cross-sectional area of the flow path gradually decreases as shown in FIG. In this way, the flow path 6 in which the cross-sectional area of the flow path gradually decreases gradually, or the gas-liquid mixing in the high pressure state (P 1 ) due to the pressure loss in which the pressurized liquid flows in the flow path 6 as in (c) The flow path 6 whose flow path length (L) is adjusted so as to reduce the pressure of the liquid gradually (P 2 , P 3 ,...) To the atmospheric pressure (P n ), and (d) Thus, it can be constituted by a plurality of pressure regulating valves 9 provided in the flow path 6.
例えば、図5(a)又は(b)のような減圧部5を用いた場合、減圧部5よりも上流側の流路6を内径20mmにし、減圧部5を、流路長さが約1cm〜10mで、内径が20mmから4mmにまで徐々に小さくなることにより流路断面積が小さくなる管体により構成することができる。なお、減圧部5は、入口内径/出口内径=2〜10程度に設定したり、1cmあたりの内径減少値を1〜20mm程度に設定したりすることができる。このとき、減圧部5に気液混合液を流速4×10−6m/s以上で送ると、減圧速度2000MPa/sec以下で、ナノサイズの気泡を消滅させることなく1.0MPa減圧することができ、気液混合液を大気圧にまで減圧することができるものである。 For example, when the decompression section 5 as shown in FIG. 5A or 5B is used, the flow path 6 upstream of the decompression section 5 has an inner diameter of 20 mm, and the decompression section 5 has a flow path length of about 1 cm. -10 m, and the inner diameter can be gradually reduced from 20 mm to 4 mm, whereby the cross-sectional area of the channel can be reduced. In addition, the decompression part 5 can be set to inlet inner diameter / outlet inner diameter = about 2-10, or the inner diameter reduction | decrease value per cm can be set to about 1-20 mm. At this time, if the gas-liquid mixed solution is sent to the decompression unit 5 at a flow rate of 4 × 10 −6 m / s or more, the decompression rate is 2000 MPa / sec or less and the pressure can be reduced by 1.0 MPa without erasing the nano-sized bubbles. The gas-liquid mixture can be depressurized to atmospheric pressure.
吐出部7は、減圧された液体Lqを液体貯留槽12に吐出するものである。なお、この吐出部7と減圧部5との間に、図6に示すように、加圧部1における液体の押し込み圧を十分に確保するために延長流路10を設けることもできる。すなわち、減圧部5を含めた全体の圧力損失を算出し、加圧部1からの押し込み圧によって気液混合部3内で液体と気体を加圧するのに必要な圧力と、全体の圧力損失との差を算出し、さらにこの差の圧力損失が生じるように流路長さを調整した延長流路10を流路6に付加するようにしてもよい。押し込み圧の確保には絞り部などを設けることも考えられるが、絞り部などで押し込み圧を調整すると急激な圧力変化により気泡が崩壊するおそれがある。しかし、このように延長流路10を設ければ気泡を安定化させたまま気液混合液を吐出することができるものである。 The discharge unit 7 discharges the decompressed liquid Lq to the liquid storage tank 12. In addition, as shown in FIG. 6, the extension flow path 10 can also be provided between this discharge part 7 and the pressure reduction part 5 in order to ensure sufficient pushing pressure of the liquid in the pressurization part 1. As shown in FIG. That is, the total pressure loss including the decompression unit 5 is calculated, the pressure required to pressurize the liquid and gas in the gas-liquid mixing unit 3 by the indentation pressure from the pressurization unit 1, and the total pressure loss The extended flow path 10 may be added to the flow path 6 with the flow path length adjusted so that the pressure loss of this difference occurs. In order to secure the indentation pressure, it may be possible to provide a throttling portion or the like. However, if the indentation pressure is adjusted by the throttling portion or the like, bubbles may collapse due to a sudden pressure change. However, if the extension channel 10 is provided in this way, the gas-liquid mixture can be discharged while the bubbles are stabilized.
オゾン溶解部Mは、気液混合液生成部Sによって生成された気液混合液の気泡を崩壊させてオゾンを液体Lqに溶解するためのものであり、例えば、図1に示すように、気液混合液を常温よりも高い温度に加温するためのヒータM1などを用いることができる。その他に、図2(a)に示すように、気液混合液に超音波やマイクロ波を供給して振動させるための波動発生器M2や、図2(b)に示すように、気液混合液を回転などで機械的に撹拌して振動させるための撹拌子M3などをオゾン溶解部Mとして用いることができる。オゾン溶解部Mは液体貯留槽12の底部に設けることができる。 The ozone dissolving part M is for dissolving bubbles in the liquid Lq by collapsing bubbles of the gas / liquid mixed liquid generated by the gas / liquid mixed liquid generating part S. For example, as shown in FIG. A heater M1 for heating the liquid mixture to a temperature higher than normal temperature can be used. In addition, as shown in FIG. 2 (a), a wave generator M2 for supplying ultrasonic waves and microwaves to the gas-liquid mixture to vibrate, or as shown in FIG. 2 (b), gas-liquid mixing. A stirrer M3 for mechanically stirring and vibrating the liquid by rotation or the like can be used as the ozone dissolving part M. The ozone dissolving part M can be provided at the bottom of the liquid storage tank 12.
そして、上記の浄化装置で液体Lqに含まれている不純物を分解したり除去したりすることによって、液体Lqを浄化するにあたっては、以下のようにして行う。まず、気液混合液生成部Sにより気液混合液を生成する。すなわち、加圧部1で液体Lqを圧送し、圧送された液体Lqに気体供給部2によりオゾンを含有する気体を供給して注入する。そして、気体が注入された液体Lqを、加圧部1及び気液混合部3によって0.17MPa/sec以上の加圧速度ΔP1/t(ΔP1:圧力増加量、t:時間)で加圧し、液体の圧力を0.15MPa以上にする。すなわち、気液混合部3から脱気泡部4へ送り出される際の液体の圧力は0.15MPa以上になっている。その後、脱気泡部4で気液混合液中のナノサイズを超える気泡を取り除いた後、該液体を減圧部5及び下流側の流路6に送りながら最高減圧速度2000MPa/sec以下の減圧速度ΔP2/t(ΔP2:減圧量、t:時間)で徐々に大気圧まで減圧する。そして、減圧された気液混合液を吐出部7から液体貯留槽12に吐出することにより、ナノサイズの気泡が安定に存在した気液混合液を生成することができるものである。なお、気液混合部3よりも下流側の流路6は内径2〜50mm程度の管体などに形成することができる。それにより、比較的太い流路断面積で気液混合液を吐出することができ、細路により流路6を構成する場合のような配管の詰まりを防止して、気液混合液を利用しやすくすることができる。 Then, when the liquid Lq is purified by decomposing or removing impurities contained in the liquid Lq with the above-described purification device, the following process is performed. First, a gas / liquid mixture is generated by the gas / liquid mixture generation unit S. That is, the liquid Lq is pumped by the pressurizing unit 1, and a gas containing ozone is supplied and injected into the pumped liquid Lq by the gas supply unit 2. Then, the liquid Lq into which the gas has been injected is added by the pressurizing unit 1 and the gas-liquid mixing unit 3 at a pressurization rate ΔP 1 / t (ΔP 1 : pressure increase amount, t: time) of 0.17 MPa / sec or more. The liquid pressure is adjusted to 0.15 MPa or more. That is, the pressure of the liquid when being sent out from the gas-liquid mixing unit 3 to the defoaming unit 4 is 0.15 MPa or more. Thereafter, after removing bubbles exceeding the nano size in the gas-liquid mixture in the degassing part 4, a pressure reduction rate ΔP having a maximum pressure reduction rate of 2000 MPa / sec or less while sending the liquid to the pressure reduction part 5 and the downstream flow path 6. The pressure is gradually reduced to atmospheric pressure at 2 / t (ΔP 2 : reduced pressure amount, t: time). Then, by discharging the decompressed gas-liquid mixed liquid from the discharge unit 7 to the liquid storage tank 12, it is possible to generate a gas-liquid mixed liquid in which nano-sized bubbles are stably present. The flow path 6 on the downstream side of the gas-liquid mixing unit 3 can be formed in a tube having an inner diameter of about 2 to 50 mm. As a result, the gas-liquid mixture can be discharged with a relatively thick channel cross-sectional area, and the clogging of the pipe as in the case where the channel 6 is configured by a narrow path can be prevented, and the gas-liquid mixture can be used. It can be made easier.
このようにして気液混合液を調製した後、図7に示すように、オゾン溶解部Mにより気液混合液中の気泡Bを崩壊させて気泡中のオゾンを液体Lqに溶解させる。これにより、溶解したオゾンによりヒドロキシラジカル(・OH)等のラジカルを生成し、このラジカルやオゾン自体を液体Lqに含有されている不純物Fに作用させて不純物Fを分解したり除去したりする処理を行うことができ、液体Lqを浄化することができるものである。そして、本発明ではオゾン溶解部Mで瞬時に気泡を崩壊させて多量のオゾンを溶解させることができ、液体Lqのオゾンの溶解濃度を高くして浄化効率を高くすることができるものである。 After preparing the gas-liquid mixed solution in this way, as shown in FIG. 7, the bubbles B in the gas-liquid mixed solution are collapsed by the ozone dissolving part M to dissolve the ozone in the bubbles in the liquid Lq. Thereby, radicals such as hydroxy radicals (.OH) are generated by the dissolved ozone, and the radicals or ozone itself is allowed to act on the impurities F contained in the liquid Lq to decompose or remove the impurities F. The liquid Lq can be purified. In the present invention, a large amount of ozone can be dissolved by instantaneously collapsing bubbles in the ozone dissolving part M, and the purification concentration can be increased by increasing the concentration of ozone dissolved in the liquid Lq.
ここで、不純物Fは、気液混合液生成部Sで気液混合液を調製するときに用いる当初の液体Lqに含有されている場合と、気液混合液生成部Sで気液混合液を調製した後でオゾン溶解部Mで気泡を崩壊させる前に気液混合液(液体Lq)に混入させる場合と、気液混合液中の気泡をオゾン溶解部Mで崩壊させた後に気液混合液(液体Lq)に混入させる場合とのいずれであっても良い。また、本発明は浄化槽や下水道、工業排水などに含まれている有機物の不純物Fを分解処理して浄化するのに用いることができる。また、本発明は生物処理や活性汚泥法における汚泥を不純物Fとし、この汚泥を分解処理してその減量化を図ることができる。さらに、本発明は水中に含まれている金属イオンをオゾンにより酸化させて沈殿させて回収し、水の浄化を図ることができるものである。また、本発明はベンゼン、トルエン、エチレンベンゼン、キシレン等の有機溶媒等の有害物質を不純物Fとして含んだ液体を、この不純物を分解して無害化し、浄化することができる。また、本発明は、図8に示すように、ポリビニールアルコールなどの二重結合を有する高分子を不純物とする高分子溶液を浄化するのに用いることができる。さらに、本発明は、図9に示すように、ベンゼン環を含む芳香族化合物(熱硬化性樹脂等)を不純物として含んだ溶液を、ベンゼン環の二重結合を分解して溶液を浄化することができる。また、本発明は浄水場や雨水浄化装置としても用いることができる。 Here, the impurity F is contained in the initial liquid Lq used when preparing the gas-liquid mixture in the gas-liquid mixture generation unit S, and the gas-liquid mixture is generated in the gas-liquid mixture generation unit S. After the preparation, before mixing bubbles in the gas-liquid mixture (liquid Lq) before collapsing bubbles in the ozone dissolution part M, and after the bubbles in the gas-liquid mixture liquid are collapsed in the ozone dissolution part M, the gas-liquid mixture liquid Any of the cases of mixing with (liquid Lq) may be used. In addition, the present invention can be used to decompose and purify organic impurities F contained in septic tanks, sewers, industrial effluents and the like. In the present invention, sludge in biological treatment or activated sludge method is used as impurities F, and the sludge can be decomposed to reduce the amount thereof. Furthermore, the present invention can purify water by oxidizing and recovering metal ions contained in water by ozone. Further, the present invention can purify a liquid containing a harmful substance such as an organic solvent such as benzene, toluene, ethylenebenzene, and xylene as the impurity F by decomposing the impurity and detoxifying it. In addition, as shown in FIG. 8, the present invention can be used to purify a polymer solution containing a polymer having a double bond such as polyvinyl alcohol as an impurity. Furthermore, as shown in FIG. 9, the present invention purifies a solution containing an aromatic compound containing a benzene ring (such as a thermosetting resin) as an impurity by decomposing the double bond of the benzene ring. Can do. Moreover, this invention can be used also as a water purification plant or a rainwater purification apparatus.
図10に示す浄化装置Aでは、図1のものに加えて、予備混合槽50を設けて形成されている。予備混合槽50の底部には撹拌子51が設けられている。この浄化装置では、土壌を含む水Lsを予備混合槽50で予め撹拌した後、土壌含有水Lsを液体貯留槽12に投入して気液混合液と混合し、オゾン溶解部Mで気泡を崩壊させてオゾンを液体Lqに溶解させる。これにより、土壌に含まれている金属イオンをオゾンで酸化させることにより金属を析出させて回収すると共に土壌含有水Lsを浄化することができる。 The purification apparatus A shown in FIG. 10 is formed by providing a preliminary mixing tank 50 in addition to the one shown in FIG. A stirring bar 51 is provided at the bottom of the preliminary mixing tank 50. In this purification device, after the water Ls containing soil is preliminarily stirred in the preliminary mixing tank 50, the soil-containing water Ls is put into the liquid storage tank 12 and mixed with the gas-liquid mixture, and the bubbles are collapsed in the ozone dissolving part M. To dissolve ozone in the liquid Lq. Thereby, the metal ion contained in the soil can be oxidized with ozone to deposit and collect the metal and to purify the soil-containing water Ls.
図11(a)に示す浄化装置Aでは、液体貯留槽12に紫外線ランプ(UVランプ)52を設けると共に活性炭浄化部53を具備して形成されるものであって、その他の構成は図1のものと同等である。尚、この図に示す浄化装置Aでは図1における液体貯留槽12以外の構成を装置本体S’として示し、オゾン溶解部Mは図示を省略している。この浄化装置Aでは上記と同様にして気液混合液と不純物を含む排水とを液体貯留槽12で混合し、溶解したオゾンで廃水を浄化するものであるが、この処理の際に紫外線ランプ52を液体貯留槽12で点灯させることにより、紫外線で発生するH2O2又はこのH2O2とオゾンとの反応で生じるヒドロキシラジカルで廃水の殺菌や不純物の分解等を行うことができ、しかも、その後、廃水を活性炭浄化部53の活性炭53aに通水させることによって、活性炭53aの吸着作用等によって廃水中の不純物を取り除いて浄化することができ、浄化効率を高くすることができるものである。 In the purification apparatus A shown in FIG. 11 (a), the liquid storage tank 12 is provided with an ultraviolet lamp (UV lamp) 52 and an activated carbon purification part 53, and the other configuration is shown in FIG. Is equivalent to In the purification apparatus A shown in this figure, the configuration other than the liquid storage tank 12 in FIG. 1 is shown as the apparatus main body S ′, and the ozone dissolution unit M is not shown. In this purification device A, the gas-liquid mixed solution and the wastewater containing impurities are mixed in the liquid storage tank 12 in the same manner as described above, and the wastewater is purified by the dissolved ozone. Is lit in the liquid storage tank 12 so that wastewater can be sterilized or impurities can be decomposed with hydroxy radicals generated by the reaction of H 2 O 2 generated by ultraviolet rays or this H 2 O 2 with ozone. Then, the waste water is passed through the activated carbon 53a of the activated carbon purification unit 53, so that impurities in the waste water can be removed and purified by the adsorption action of the activated carbon 53a, and the purification efficiency can be increased. .
尚、従来より、図11(b)に示すように、オゾンと紫外線ランプ52とを設けた浄化装置が提案されている。この浄化装置は、オゾン発生器60で発生させたオゾンガスを反応槽61に曝気で供給し、廃水に飽和濃度以下の条件で溶解させるものであり、この後、紫外線ランプ52でH2O2を発生させると共にこのH2O2と溶解したオゾンとを反応させてヒドロキシラジカル(・OH)を生成する。そして、ヒドロキシラジカルと不純物である有機物との反応により不純物を水とCO2等に分解するものである。この場合、反応に伴って廃水中のオゾンの溶解度(濃度)が低下するため、オゾンガスを連続的に供給すると共に複数の反応槽61を設けて順次廃水を流通させることにより反応率の向上を図っている。しかし、本発明では、オゾン溶解部Mで瞬時に気泡を崩壊させて多量のオゾンを溶解させることができ、液体Lqのオゾンの溶解濃度を高くして浄化効率を高くすることができるものである。 Conventionally, as shown in FIG. 11B, a purification device provided with ozone and an ultraviolet lamp 52 has been proposed. The purification device, the ozone gas generated in the ozone generator 60 was supplied with aeration in the reaction vessel 61, which is dissolved in the following conditions the saturation concentration in the waste water, after which the H 2 O 2 by using an ultraviolet lamp 52 The H 2 O 2 and dissolved ozone react with each other to generate hydroxy radicals (.OH). Then, the impurities are decomposed into water, CO 2 and the like by the reaction between the hydroxyl radical and the organic substance that is the impurity. In this case, since the solubility (concentration) of ozone in the wastewater decreases with the reaction, ozone gas is continuously supplied and a plurality of reaction tanks 61 are provided to sequentially distribute the wastewater to improve the reaction rate. ing. However, in the present invention, a large amount of ozone can be dissolved by instantaneously collapsing bubbles in the ozone dissolving part M, and the purification concentration can be increased by increasing the concentration of ozone dissolved in the liquid Lq. .
図1に示す浄化装置Aでは、オゾン注入配管2aの吸引口2dから空気だけでなく、排気ガス、有毒ガス、一酸化炭素、臭気ガスなどのガス状の不純物も空気と一緒に取り込むことができる。この場合、気液混合液中の気泡にはオゾンとガス状の不純物が充填されているものである。そして、上記と同様にして気液混合液を生成した後、オゾン溶解部Mにより気泡を崩壊してオゾンを液体Lqに溶解させるが、これと共に、ガス状の不純物を液体Lqに溶解させる。そして、排気ガスはNO→NO2の反応により無害化し、一酸化炭素はCO→CO2の反応により無害化し、臭気ガスはH2S+O3→S+H2O+O2の反応により無害化し、浄化装置の周辺の大気の浄化を行うことができるものである。 In the purification apparatus A shown in FIG. 1, not only air but also gaseous impurities such as exhaust gas, toxic gas, carbon monoxide, and odor gas can be taken in together with air from the suction port 2d of the ozone injection pipe 2a. . In this case, bubbles in the gas-liquid mixture are filled with ozone and gaseous impurities. And after producing | generating a gas-liquid mixed liquid like the above, a bubble is collapsed by the ozone melt | dissolution part M, ozone is melt | dissolved in the liquid Lq, At the same time, a gaseous impurity is dissolved in the liquid Lq. The exhaust gas is detoxified by the reaction of NO → NO 2 , the carbon monoxide is detoxified by the reaction of CO → CO 2 , and the odor gas is detoxified by the reaction of H 2 S + O 3 → S + H 2 O + O 2 . The surrounding air can be purified.
本発明において液体Lqとしては、水素結合を形成する分子からなる液体を用いることが好ましく、その場合、液体の気泡との界面に存在する分子の水素結合の距離が、該液体が常温常圧(25℃、1気圧(0.1013MPa))であるときの水素結合の距離よりも短いことが好ましい。水素結合とは、電気陰性度の大きい原子と水素原子とを有している分子において、水素原子が他の分子の電気陰性度の大きい原子に接近し、系が安定化する結合のことである。このように、気液混合液が常温常圧の条件で存在する場合において、オゾンを含む気泡の気泡界面における水素結合の距離が常温常圧での通常の水素結合の距離よりも短くなることにより、気泡の周囲を強固な水素結合を形成した液体分子で取り囲むことになる。そして、この水素結合を形成した液体分子は強固な殻となって気泡を包み込む。それによって、気泡同士が衝突しても崩壊することがなくなり、また、液体からの圧力に対して気泡内部からの応力で対抗できるので、オゾンを含む気泡を液体中で消滅させたり合体させたりすることなく保持することができるものである。つまり、従来の表面張力で安定している気泡とは異なるものである。 In the present invention, as the liquid Lq, it is preferable to use a liquid composed of molecules that form hydrogen bonds. In this case, the distance between the hydrogen bonds of the molecules present at the interface with the bubbles of the liquid is determined as follows. It is preferably shorter than the distance of hydrogen bonding at 25 ° C. and 1 atm (0.1013 MPa). A hydrogen bond is a bond that stabilizes the system in a molecule that has a high electronegativity atom and a hydrogen atom, because the hydrogen atom approaches the high electronegativity atom of another molecule. . In this way, when the gas-liquid mixture exists under normal temperature and normal pressure conditions, the hydrogen bond distance at the bubble interface of bubbles containing ozone becomes shorter than the normal hydrogen bond distance at normal temperature and normal pressure. The bubbles are surrounded by liquid molecules that form strong hydrogen bonds. And the liquid molecule which formed this hydrogen bond turns into a firm shell, and encloses a bubble. As a result, even if the bubbles collide with each other, they will not collapse, and the pressure from the liquid can be countered by the stress from the inside of the bubbles, so that the bubbles containing ozone disappear or merge in the liquid. It can be held without any problems. In other words, it is different from conventional bubbles that are stable with surface tension.
気泡との界面における液体分子の水素結合の距離としては、用いる液体により適宜設定され得るものであるが、常温常圧での水素結合の距離を100%とした場合に、99%以下であることが好ましい。水素結合の距離がこの範囲になることにより、気泡を水素結合の硬い殻で取り囲んで安定化させることができるものである。水素結合の距離がこれより長いと気泡を安定化させて存在させることができなくなるおそれがある。原子間距離を考慮すると、水素結合の距離の下限は95%である。気液混合液中の気泡界面における水素結合の距離は、例えば、後述の実施例で示すように、気泡が混合された液体の赤外吸収スペクトル(IR)を解析することにより算出することができる。 The distance between the hydrogen bonds of the liquid molecules at the interface with the bubbles can be appropriately set depending on the liquid used, but is 99% or less when the distance between hydrogen bonds at room temperature and normal pressure is 100%. Is preferred. When the hydrogen bond distance falls within this range, the bubbles can be surrounded and stabilized by a hard shell of hydrogen bonds. If the distance between hydrogen bonds is longer than this, there is a possibility that bubbles cannot be stabilized and exist. Considering the interatomic distance, the lower limit of the hydrogen bond distance is 95%. The hydrogen bond distance at the bubble interface in the gas-liquid mixture can be calculated, for example, by analyzing the infrared absorption spectrum (IR) of the liquid in which the bubbles are mixed, as shown in the examples described later. .
ところで、水素結合の距離が上記の距離にある液体は、通常、氷のように固体やハイドレート結晶構造になるものであるが、上記の液体においては、気泡界面において局所的に距離の短い水素結合を形成し、それ以外の液体中は通常の水素結合を形成している。すなわち、気泡界面では距離の短い水素結合により液体分子の硬い殻を形成して、気泡同士が合体することや消滅することを防止すると共に、気泡界面以外では通常の状態で液体が存在して常温常圧では流動性を確保しており、安定な気泡が存在している液体を利用しやすくするものである。 By the way, a liquid having a hydrogen bond distance of the above-mentioned distance usually has a solid or hydrate crystal structure like ice. However, in the above-mentioned liquid, hydrogen having a short distance locally at the bubble interface. Bonds are formed and normal hydrogen bonds are formed in other liquids. That is, a hard shell of liquid molecules is formed by hydrogen bonds at a short distance at the bubble interface to prevent the bubbles from coalescing and disappearing, and at other than the bubble interface, liquid exists in a normal state and normal temperature At normal pressure, fluidity is ensured, and it is easy to use liquid in which stable bubbles are present.
液体に含まれる気泡はナノサイズの気泡であり、具体的には直径1〜1000nmの気泡(いわゆるナノバブル)である。気泡がナノサイズとなり微細なものになることで強固な気泡界面の構造を形成することができ、高濃度の気体を液体中に保持することができるものである。また、ナノオーダーサイズの気泡には浮力が働かないため、気泡が上昇して液体から分離することがないので気泡を長期に亘って安定に存在させることができるものである。この範囲より気泡が小さくても大きくても気泡を安定化させることができなくなるおそれがある。なお、気泡の大きさは、走査型電子顕微鏡(SEM)により測定することができ、気泡の平均粒径は、測定によって得た気泡の粒径を平均して求めることができる。ところで、マイクロバブルが混合された液体は白濁するため目視により判別可能であるが、ナノバブルが混合された液体は無色透明(あるいは液体が有色の場合は液体の色)になり目視では判別することができない。よって、ナノサイズの気泡の判別はSEMや密度測定などによって行うこととなる。 The bubbles contained in the liquid are nano-sized bubbles, specifically, bubbles having a diameter of 1 to 1000 nm (so-called nano bubbles). When the bubbles are nano-sized and fine, a strong bubble interface structure can be formed, and a high-concentration gas can be held in the liquid. Further, since buoyancy does not act on the nano-order size bubbles, the bubbles do not rise and separate from the liquid, so that the bubbles can exist stably over a long period of time. Even if the bubble is smaller or larger than this range, the bubble may not be stabilized. In addition, the bubble size can be measured by a scanning electron microscope (SEM), and the average particle diameter of the bubbles can be obtained by averaging the particle diameters of the bubbles obtained by the measurement. By the way, the liquid mixed with microbubbles is cloudy and can be discriminated visually. However, the liquid mixed with nanobubbles is colorless and transparent (or the color of the liquid when the liquid is colored) and can be discriminated visually. Can not. Therefore, discrimination of nano-sized bubbles is performed by SEM or density measurement.
液体として好ましく用いられるものの一つは水である。この場合、水分子は、O…Hの水素結合、つまり、ある水分子の酸素原子と他の水分子の水素原子との間に水素結合を形成するものであり、液体として水を用いると、気泡界面において液体中のこの水素結合が強固になって、オゾンを含む気体の気泡をより安定化させることができる。また、水は、供給源が豊富で安定して得ることができるので特別な液体を用いることなく気液混合液を簡単に得ることができるものである。すなわち、気液混合液に用いる水としては純度の高い水に限られることはなく、上下水道、池、海水などをはじめ、あらゆる水を使用することが可能である。つまり、液体として水を含むものであれば良い。 One of the liquids preferably used is water. In this case, the water molecule is a hydrogen bond of O ... H, that is, a hydrogen bond is formed between an oxygen atom of one water molecule and a hydrogen atom of another water molecule, and when water is used as a liquid, This hydrogen bond in the liquid becomes strong at the bubble interface, and the gas bubbles containing ozone can be further stabilized. Further, since water is abundant in supply sources and can be obtained stably, a gas-liquid mixture can be easily obtained without using a special liquid. That is, the water used for the gas-liquid mixture is not limited to high-purity water, and any water can be used, including water and sewage systems, ponds, seawater, and the like. That is, any material that contains water as a liquid may be used.
また、液体が、O−H結合、N−H結合、F−H結合やCl−H結合などの(ハロゲン)−H結合、S−H結合のいずれか一種以上を有する分子からなる液体であることも好ましい。これらの結合は、水素原子に対して電気陰性度が十分に大きい原子と水素原子との結合であり、O−H…O、N−H…N、F−H…FやCl−H…Clなどの(ハロゲン)−H…(ハロゲン)、S−H…Sといった強い水素結合を形成し、この水素結合により気泡を取り囲んで気泡を安定化させることができるものである。O−H結合を有する代表的な液体は水であるが、その他、過酸化水素やメタノール、エタノールなどのアルコール、グリセリンなどを例示することができる。また、N−H結合を有する液体としては、アンモニアなどを例示することができる。また、(ハロゲン)−H結合を有するものとしては、F−H結合を有するHF(フッ化水素)、Cl−H結合を有するHCl(塩化水素)を挙げることができる。また、S−H結合を有するものとしてはH2S(硫化水素)を挙げることができる。 Further, the liquid is a liquid composed of molecules having any one or more of (halogen) -H bond and S—H bond such as O—H bond, N—H bond, F—H bond and Cl—H bond. It is also preferable. These bonds are bonds between atoms and hydrogen atoms having a sufficiently large electronegativity with respect to hydrogen atoms, such as OH ... O, NH ... N, FH ... F, and Cl-H ... Cl. (Halogen) -H (Halogen), S—H,... S, and so on, are formed, and by this hydrogen bond, bubbles can be surrounded and stabilized. A typical liquid having an O—H bond is water, but other examples include hydrogen peroxide, alcohols such as methanol and ethanol, and glycerin. Moreover, ammonia etc. can be illustrated as a liquid which has a N-H bond. Examples of those having a (halogen) -H bond include HF (hydrogen fluoride) having an F-H bond and HCl (hydrogen chloride) having a Cl-H bond. Examples of those having an S—H bond include H 2 S (hydrogen sulfide).
液体がカルボキシル基を有する分子からなる液体であることも好ましい。カルボキシル基には、電気陰性度が大きいカルボニルの酸素原子が存在しており、あるカルボキシル基中のカルボニルの酸素原子と他のカルボキシル基中の水素原子とが強い水素結合を形成して気泡を取り囲むので、安定に気泡が存在した気液混合液を得ることができるものである。カルボキシル基を有する分子からなる液体としては、ギ酸、酢酸などのカルボン酸などを例示することができる。 It is also preferable that the liquid is a liquid composed of molecules having a carboxyl group. The carboxyl group has a carbonyl oxygen atom with high electronegativity, and the carbonyl oxygen atom in one carboxyl group and a hydrogen atom in another carboxyl group form a strong hydrogen bond to surround the bubble. Therefore, it is possible to obtain a gas-liquid mixture in which bubbles are stably present. Examples of the liquid composed of molecules having a carboxyl group include carboxylic acids such as formic acid and acetic acid.
液体に含有されているオゾンの濃度は、液体に対するオゾンの飽和溶解濃度以上である。飽和溶解量又はそれを超える多量のオゾンを液体中に保持することにより、液体中に含有された高濃度のオゾンを利用することができ、浄化効率を向上することができるものである。さらに好ましくは、液体中には飽和溶解量のオゾンが溶解しており、その飽和溶解液にオゾンを含む気体の気泡が存在しているものである。飽和溶解量でオゾンが溶解していれば、気泡となったオゾンを溶解させることなく安定化して気泡として液体中に保持することがより可能となるものである。すなわち、飽和溶解量以上に気体が存在する液体は、液体中に飽和濃度でオゾンが溶解しており、気泡が崩壊したり溶解したりすることがなく、より安定にオゾンを含む気体の気泡を液体中に存在させることができるものである。また、さらにオゾンの溶解濃度が、飽和溶解濃度であることが好ましい。このようにオゾンの濃度が高くなると、水素結合の距離を短くした状態で気泡を安定化することができ、この安定化された気泡が熱や衝撃が加えられた際にオゾンが液体に溶解されるので、浄化効率をさらに向上することができるものである。液体中の気体量は、後述の実施例で示すように液体から気体を分離し、質量変化量から算出することができる。 The concentration of ozone contained in the liquid is equal to or higher than the saturated dissolution concentration of ozone in the liquid. By maintaining a saturated dissolved amount or a large amount of ozone exceeding the saturated amount in the liquid, high concentration ozone contained in the liquid can be used, and purification efficiency can be improved. More preferably, a saturated dissolved amount of ozone is dissolved in the liquid, and gas bubbles containing ozone are present in the saturated dissolved solution. If ozone is dissolved in a saturated dissolution amount, it becomes possible to stabilize the ozone in the form of bubbles without dissolving them and hold them as bubbles in the liquid. In other words, in a liquid in which gas is present at a saturation dissolution amount or more, ozone is dissolved at a saturated concentration in the liquid, and the bubbles do not collapse or dissolve. It can be present in the liquid. Furthermore, it is preferable that the ozone dissolution concentration is a saturated dissolution concentration. Thus, when the ozone concentration is high, the bubbles can be stabilized with the hydrogen bond distance shortened, and the ozone is dissolved in the liquid when the stabilized bubbles are subjected to heat or impact. Therefore, the purification efficiency can be further improved. The amount of gas in the liquid can be calculated from the amount of mass change by separating the gas from the liquid as shown in the examples described later.
気泡を形成している気体の圧力、すなわち気泡の内圧は0.12MPa以上であることが好ましく、さらにヤングラプラスの式(次式)で与えられる気泡の内圧より高い圧力であることが好ましい。 The pressure of the gas forming the bubbles, that is, the internal pressure of the bubbles is preferably 0.12 MPa or more, and more preferably higher than the internal pressure of the bubbles given by the Young Laplace equation (the following equation).
ヤングラプラスの式
ΔP=2σ/r
[ΔP:気泡内部の大気圧からの上昇圧力、 σ:表面張力、 r:気泡半径]
気泡の内圧がこのような圧力になると気泡が高い内部圧で維持されることになり、より強固な界面構造を形成することができるので、静置状態において安定な気泡を形成することができる。また、ヤングラプラスの式で与えられる表面張力による気泡の内圧より高い内圧であるため、より多くのオゾンを気泡内部に安定して閉じ込めることができる。一方、一旦、液体に衝撃や熱が加えられると、内部圧の力により気泡の界面構造が崩壊して、気泡が合体してオゾンを溶解するため、このオゾンを浄化にすることができるものである。気泡の内圧は、後述の実施例で示すように液体中の気体総量と密度から計算した気体容量とを気体の状態方程式に当てはめることにより算出することができる。なお、ナノサイズの気泡が混合された液体は、液体として水を用いた場合、ゼータ電位がマイナスとなり、体積1cm3中に存在する気泡界面の面積は0.6m2程度となる。
Young Laplace's formula ΔP = 2σ / r
[ΔP: rising pressure from the atmospheric pressure inside the bubble, σ: surface tension, r: bubble radius]
When the internal pressure of the bubbles becomes such a pressure, the bubbles are maintained at a high internal pressure, and a stronger interface structure can be formed. Therefore, stable bubbles can be formed in a stationary state. Further, since the internal pressure is higher than the internal pressure of the bubble due to the surface tension given by the Young Laplace equation, more ozone can be stably trapped inside the bubble. On the other hand, once an impact or heat is applied to the liquid, the interface structure of the bubbles collapses due to the force of the internal pressure, and the bubbles coalesce and dissolve ozone, so this ozone can be purified. is there. The internal pressure of the bubbles can be calculated by fitting the total amount of gas in the liquid and the gas volume calculated from the density to the gas equation of state as shown in the examples described later. Note that a liquid in which nano-sized bubbles are mixed has a negative zeta potential when water is used as the liquid, and the area of the bubble interface existing in a volume of 1 cm 3 is about 0.6 m 2 .
以下本発明を実施例によって具体的に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described specifically by way of examples.
図1の浄化装置により、液体Lqとして純水を用いて気液混合液を生成した。 The gas-liquid mixed liquid was produced | generated using the pure water as the liquid Lq with the purification apparatus of FIG.
浄化装置としては、加圧部1と気液混合部3とがポンプ11で兼用されて構成されたものを用いた。ポンプ11としては回転体21により加圧する図3のようなポンプ11aを用いた。 As the purification device, a device in which the pressurizing unit 1 and the gas-liquid mixing unit 3 are combined with a pump 11 was used. As the pump 11, a pump 11a as shown in FIG.
気体と液体の比(液体に対する気体の注入量)は、容量比(体積比)で1:1に設定した。また、ポンプ11の回転体21の回転数は1700rpmに設定した。この条件により大気圧(0.1MPa)の水に気体が注入された後、加圧速度ΔP1/t=28.3MPa/secで加圧されて、気液混合部3から脱気泡部4に送り出される際の液体の圧力が0.6MPaになった。なお、このような条件により、飽和溶解濃度を超えて気体が液体に注入されて水素結合距離が短くなり強固な気泡界面の構造が形成されるものと考えられる。この条件(加圧条件)は現時点における最良の条件であると考えられる。 The ratio of gas to liquid (the amount of gas injected into the liquid) was set to 1: 1 as a volume ratio (volume ratio). Moreover, the rotation speed of the rotary body 21 of the pump 11 was set to 1700 rpm. Under this condition, gas is injected into water at atmospheric pressure (0.1 MPa) and then pressurized at a pressure rate ΔP 1 /t=28.3 MPa / sec. The pressure of the liquid at the time of delivery became 0.6 MPa. Under such conditions, it is considered that the gas is injected into the liquid exceeding the saturated dissolution concentration, the hydrogen bond distance is shortened, and a strong bubble interface structure is formed. This condition (pressurizing condition) is considered to be the best condition at present.
また、減圧部5よりも上流側の流路6を内径20mmのものにした。減圧部5としては図5(a)のような、3段階で内径が徐々に小さくなるものを用い、具体的には、内径が14mm、8mm、4mmで長さが各約3.3mm(減圧部5の全長として約1cm)の三つの流路管部からなるものを用いた。また、減圧部5よりも下流側の流路6及び延長流路10として、内径4mm(外径6mm)のホースを用い、下流側の流路6と延長流路10とを合わせた長さが2mとなるように設定した。この条件により、減圧部5において、最高減圧速度60MPa/sec、時間0.0025秒で気体が混合された液体を減圧し、さらに、下流側の流路6において、1MPa/sec、時間0.5秒で気体が混合された液体を減圧し、ホース先端部である吐出部7から、大気圧(0.1MPa)まで減圧された気液混合液が得られた。なお、このような条件により、飽和溶解濃度を超えて気体が液体に注入されると共に水素結合距離が短くなり気泡界面の構造が強固になった気液混合液を安定して生成することができるものと考えられる。この条件(減圧条件)は現時点における最良の条件であると考えられる。 In addition, the flow path 6 on the upstream side of the decompression unit 5 has an inner diameter of 20 mm. As the decompression unit 5, one having an inner diameter that gradually decreases in three stages as shown in FIG. 5A is used. Specifically, the inner diameter is 14 mm, 8 mm, 4 mm, and each length is about 3.3 mm (decompression). The total length of the part 5 was approximately 1 cm) and was composed of three flow path pipe parts. In addition, a hose having an inner diameter of 4 mm (outer diameter of 6 mm) is used as the flow path 6 and the extension flow path 10 on the downstream side of the decompression unit 5, and the combined length of the downstream flow path 6 and the extension flow path 10 is as follows. It was set to be 2 m. Under these conditions, in the decompression section 5, the liquid mixed with the gas is decompressed at a maximum decompression speed of 60 MPa / sec for a time of 0.0025 seconds, and further, 1 MPa / sec for a time of 0.5 MPa in the downstream flow path 6. The liquid in which the gas was mixed in seconds was depressurized, and a gas-liquid mixed liquid depressurized to atmospheric pressure (0.1 MPa) was obtained from the discharge portion 7 which is the tip of the hose. Note that, under such conditions, a gas-liquid mixed liquid in which gas is injected into the liquid exceeding the saturated dissolution concentration and the hydrogen bond distance is shortened and the structure of the bubble interface is strengthened can be stably generated. It is considered a thing. This condition (decompression condition) is considered to be the best condition at the present time.
[物性]
次に、実施例1の気液混合液の物性について説明する。
[Physical properties]
Next, the physical properties of the gas-liquid mixture of Example 1 will be described.
[水素結合の距離]
図12は、気体として窒素を用い、液体として純水を用いた気液混合液と、窒素が純水に飽和溶解濃度で溶解した気体飽和液との赤外吸収スペクトルとの差分を示すグラフである。水のOH収縮振動による赤外吸収帯としては通常3400cm−1付近に吸収極大があることが知られているが、グラフに示されるように気液混合液はOH収縮振動の吸収極大が3200cm−1付近にずれている。吸収極大が3400cm−1にある場合、水素結合の距離は0.285nmである。一方、吸収極大が3200cm−1にある場合、水素結合の距離は0.277nmであることが知られており、常温常圧下における通常の水素結合の距離よりも短くなり構造化された氷またはハイドレートに近い水と結論づけられた。そこで窒素の代わりにオゾンを混合させれば、気泡中にオゾンが含まれた浄化機能を有する気液混合液が生成できる。
[Hydrogen bond distance]
FIG. 12 is a graph showing a difference between an infrared absorption spectrum of a gas-liquid mixed solution using nitrogen as a gas and pure water as a liquid and a gas saturated solution in which nitrogen is dissolved in pure water at a saturated dissolution concentration. is there. It is known that the infrared absorption band due to the OH contraction vibration of water usually has an absorption maximum in the vicinity of 3400 cm −1 , but as shown in the graph, the gas-liquid mixture has an absorption maximum of OH contraction vibration of 3200 cm −. It is shifted to around 1 . When the absorption maximum is 3400 cm −1 , the hydrogen bond distance is 0.285 nm. On the other hand, when the absorption maximum is 3200 cm −1 , the hydrogen bond distance is known to be 0.277 nm, which is shorter than the normal hydrogen bond distance under normal temperature and pressure, and is structured ice or hide. It was concluded that the water was close to the rate. Therefore, if ozone is mixed instead of nitrogen, a gas-liquid mixed solution having a purification function in which ozone is contained in bubbles can be generated.
[気体量]
液体として純水を、気体として各種の気体を用いた気液混合液中に気泡として存在する気体量を次の方法により測定した。
(1)25℃、導電率0.1μS/cmの純水に、各種オゾン含有気体を混合させ気液混合液を得た。
(2)直径1μm以上の大きな気泡を水から分離するために、気液混合液を25℃で1日静置した。なお、静置時間について、ストークスの法則から
気泡上昇速度: V=d2×g/(18×γ)
(d:気泡直径、g:重力加速度、γ:動粘性係数)
の式が成立し、この式より1μmの気泡の上昇速度は約2.4×10−4m/sであるので、例えば静置時の容器の水深が50mmの場合、1日静置すれば気泡を除去することができる。
(3)最小測定値1mgの分析天秤で気液混合液の質量を測定した。
(4)ガス透過度及び透湿度の低いPE+ナイロン樹脂製のビニル袋に気液混合液とスタラーの撹拌子を入れ、空気を追い出して袋に空気が無い状態でシーラーにてビニル袋を密封した。
(5)密封直後に、分析天秤で気液混合液が封入されたビニル袋の質量を測定した。
(6)ホットスタラーにより25℃の気液混合液が密封されたビニル袋を45℃に昇温して気液混合液を約5時間撹拌した。この昇温と撹拌により、微細気泡や、45℃の飽和溶解濃度以上で溶解していた気体が気液混合液から分離されビニル袋の上部に集まった。
(7)室温25℃の条件でホットスタラーの設定温度を25℃にし、25℃の飽和溶解度の液体になるよう数時間撹拌を行った。
(8)分析天秤で、気体と液体が封入されたビニル袋の質量を測定した。
(9)計3回の質量測定から気液混合液の質量と、昇温および撹拌によって気液混合液から分離された気体による浮力によって生じる液体の質量変化量とを得た。質量変化量は、気液混合液から分離された気体容積と同容積の空気の質量と同じであり、この値から分離された気体の容量と質量を算出することができる。
[Gas volume]
The amount of gas present as bubbles in the gas-liquid mixture using pure water as the liquid and various gases as the gas was measured by the following method.
(1) Various ozone-containing gases were mixed with pure water having a conductivity of 0.1 μS / cm at 25 ° C. to obtain a gas-liquid mixture.
(2) In order to separate large bubbles having a diameter of 1 μm or more from water, the gas-liquid mixture was allowed to stand at 25 ° C. for 1 day. As for the standing time, from the Stokes' law, the bubble rising speed: V = d 2 × g / (18 × γ)
(D: bubble diameter, g: gravitational acceleration, γ: kinematic viscosity coefficient)
From this equation, the rate of rise of bubbles of 1 μm is about 2.4 × 10 −4 m / s. For example, if the water depth of the container at the time of standing is 50 mm, Bubbles can be removed.
(3) The mass of the gas-liquid mixture was measured with an analytical balance having a minimum measured value of 1 mg.
(4) A gas-liquid mixture and a stirrer of a stirrer are placed in a PE + nylon resin vinyl bag with low gas permeability and moisture permeability, and the vinyl bag is sealed with a sealer in a state where there is no air in the bag. .
(5) Immediately after sealing, the mass of the vinyl bag in which the gas-liquid mixture was sealed was measured with an analytical balance.
(6) The vinyl bag in which the gas / liquid mixture at 25 ° C. was sealed by a hot stirrer was heated to 45 ° C., and the gas / liquid mixture was stirred for about 5 hours. By this temperature rise and stirring, fine bubbles and gas dissolved at a saturated dissolution concentration of 45 ° C. or higher were separated from the gas-liquid mixture and collected on the top of the vinyl bag.
(7) The set temperature of the hot stirrer was set to 25 ° C. at room temperature of 25 ° C., and the mixture was stirred for several hours so as to become a liquid having a saturation solubility of 25 ° C.
(8) Using an analytical balance, the mass of the vinyl bag in which gas and liquid were enclosed was measured.
(9) The mass of the gas-liquid mixture and the amount of change in the mass of the liquid caused by the buoyancy caused by the gas separated from the gas-liquid mixture by heating and stirring were obtained from three mass measurements. The mass change amount is the same as the mass of air having the same volume as the gas volume separated from the gas-liquid mixture, and the volume and mass of the separated gas can be calculated from this value.
図13は、このようにして測定された気体容量を示すグラフである。各棒グラフの下部領域は、測定された気泡として存在していた気体の量であり、上部領域はヘンリー則に従う気体の飽和溶解量である。グラフに示すように、飽和溶解量に対して気液混合液に含有する気体量は、窒素では36倍、アルゴンでは16倍、二酸化炭素では1.9倍であった。また、各種の気体の代わりにオゾンを用いれば過飽和溶解量以上のオゾンを水に存在させることができる。このように、気液混合液は、飽和溶解濃度以上の高濃度でオゾン含有気体を液体中に保持することが可能であり、この高濃度でオゾンが含有された気液混合液を浄化に利用することができるものである。 FIG. 13 is a graph showing the gas volume measured in this way. The lower region of each bar graph is the amount of gas that was present as the measured bubble, and the upper region is the saturated amount of gas that follows Henry's law. As shown in the graph, the amount of gas contained in the gas-liquid mixture with respect to the saturated dissolution amount was 36 times for nitrogen, 16 times for argon, and 1.9 times for carbon dioxide. If ozone is used instead of various gases, ozone exceeding the supersaturated amount can be present in water. As described above, the gas-liquid mixed liquid can hold the ozone-containing gas in the liquid at a high concentration equal to or higher than the saturated dissolution concentration, and the gas-liquid mixed liquid containing ozone at the high concentration is used for purification. Is something that can be done.
[気泡のサイズ]
上記と同様にして製造した気液混合液を瞬間凍結し、真空中においてカッターで割断し、その割断面にメタン・エチレンを流し放電させ、凹凸を転写した炭化水素膜(レプリカ膜)を作製した。このレプリカ膜に導電性オスミウム薄膜を張り、十分乾燥させて、走査型電子顕微鏡(SEM)で観測した。
[Bubble size]
A gas-liquid mixture produced in the same manner as above was instantly frozen, cleaved with a cutter in a vacuum, and methane / ethylene flowed through the fractured surface to discharge, producing a hydrocarbon film (replica film) with transferred irregularities. . A conductive osmium thin film was applied to the replica film, dried sufficiently, and observed with a scanning electron microscope (SEM).
図14は、上記と同様の窒素と純水の気液混合液について、SEMにより観測された写真の一例である。同様に写真観察することにより、気体として窒素、アルゴン、二酸化炭素を用いた場合、いずれも気液混合液の気泡サイズは、直径の分布ピークが100nmであることが確認された。なお、上記の気体と純水の気液混合液の気泡はレーザーを用いた動的散乱法等の粒子径分布測定装置では正確な検知ができなかった。オゾンを上記の気体に混合させた場合も同様の気泡サイズになると推測できる。 FIG. 14 is an example of a photograph observed by SEM for a gas-liquid mixture of nitrogen and pure water similar to the above. Similarly, by observing a photograph, it was confirmed that when nitrogen, argon, or carbon dioxide was used as the gas, the bubble size of the gas-liquid mixture was 100 nm in diameter distribution peak. The bubbles in the gas-liquid mixture of the above gas and pure water could not be accurately detected by a particle size distribution measuring apparatus such as a dynamic scattering method using a laser. It can be estimated that the same bubble size is obtained when ozone is mixed with the above gas.
[気泡の内圧]
気液混合液中の気体総量から気泡内部の圧力を算出した。表1は、窒素又はアルゴンと25℃の純水との気液混合液における、気体総量と、気体総量から算出した気泡の内圧を示している。
[Internal pressure of bubbles]
The pressure inside the bubbles was calculated from the total amount of gas in the gas-liquid mixture. Table 1 shows the total amount of gas and the internal pressure of bubbles calculated from the total amount of gas in a gas-liquid mixture of nitrogen or argon and 25 ° C. pure water.
気泡における気体の内部圧力は次の方法で算出される。
気体の状態方程式は、
PV/T=(const)
(P:内部圧力、V:容積、T:内部温度)
で表され、Tが一定の場合、特に
PV=(const)
で表される。
The internal pressure of the gas in the bubbles is calculated by the following method.
The equation of state of gas is
PV / T = (const)
(P: internal pressure, V: volume, T: internal temperature)
When T is constant, PV = (const)
It is represented by
そして、気液混合液の密度から気液混合液中の気泡の容積が計算でき、上式から、
大気圧×気体総体積量=気泡の内圧×液中の気体総体積量
の関係が成立し、この関係式に上記で測定した気体量を当てはめて気泡における気体の内圧が計算され、表1のような圧力値となる。
And the volume of bubbles in the gas-liquid mixture can be calculated from the density of the gas-liquid mixture,
The relationship of atmospheric pressure × total gas volume = bubble internal pressure × total gas volume in liquid is established, and the internal gas pressure in the bubbles is calculated by applying the above measured gas amount to this relational expression. The pressure value is as follows.
例えば気体がオゾン含有窒素の場合、
気液混合液1リットル中における、水体積がw1リットル、水中での気体体積がw2リットルであると仮定すると、
体積については次の関係式が成り立つ。
For example, when the gas is ozone-containing nitrogen,
Assuming that the volume of water in 1 liter of gas-liquid mixture is w1 liter and the volume of gas in water is w2 liter,
The following relational expression holds for the volume.
w1 + w2 =1リットル (式A)
また、質量については次の関係式が成り立つ。
w1 + w2 = 1 liter (Formula A)
In addition, the following relational expression holds for the mass.
w1 × 水の密度 + w2÷22.4(リットル)×28(分子量)=測定質量 (式B)
水の密度 :常温常圧の純水では997.1g/L
22.4リットル :気体1モルの体積
測定質量 :表1の値で988.3
上記の2式(式A,B)の方程式を解くと、
w2=8.84×10^(-3) が算出されるので、
気体の内圧=大気圧 × 気体総体積量 ÷ 液中の気体総体積量
=0.1×(表1の値)÷w2
=0.1×0.56÷(8.84×10^(-3))
=6.3MPa
となる。
w1 × density of water + w2 ÷ 22.4 (liter) × 28 (molecular weight) = measured mass (Formula B)
Water density: 997.1g / L for pure water at normal temperature and pressure
22.4 liters: volume of 1 mol of gas Measured mass: 988.3 as shown in Table 1
Solving the above two equations (Equations A and B),
Since w2 = 8.84 × 10 ^ (-3) is calculated,
Internal pressure of gas = atmospheric pressure x total volume of gas ÷ total volume of gas in liquid
= 0.1 x (value in Table 1) / w2
= 0.1 × 0.56 ÷ (8.84 × 10 ^ (-3))
= 6.3 MPa
It becomes.
なお、上記の計算では、気泡の内部温度が一定(常温)であるとして考えたが、実際の気泡の内部温度は大気の温度(常温)よりも高いことも予想され、その場合、気泡の内部圧は上記算出結果より更に高いことが気体の状態方程式から予測できる。 In the above calculation, it was assumed that the internal temperature of the bubble was constant (normal temperature), but the actual internal temperature of the bubble is also expected to be higher than the atmospheric temperature (normal temperature). It can be predicted from the gas state equation that the pressure is higher than the above calculation result.
ところで、一般には、気泡の内圧は次のようにして算出される。気泡は気液相界面間の界面張力により加圧され、この界面張力はヤングラプラスの式(下記式)で導かれる。 By the way, in general, the internal pressure of bubbles is calculated as follows. The bubbles are pressurized by the interfacial tension between the gas-liquid interface, and this interfacial tension is derived by Young Laplace's equation (the following equation).
ΔP=2σ/r
(ΔP:上昇圧力、σ:表面張力、r:気泡半径)
この式によれば、例えば、直径100nmのサイズの気泡の場合、気泡内部圧力は3MPaになる。
ΔP = 2σ / r
(ΔP: rising pressure, σ: surface tension, r: bubble radius)
According to this equation, for example, in the case of a bubble having a diameter of 100 nm, the bubble internal pressure is 3 MPa.
一方、気液混合液中の内部圧力は、表1の通り、例えば窒素の場合6.3MPaであり、この気液混合液はSEM写真にて示されるように直径100nmサイズの気泡が分散しているものであることから、気液混合液の気泡は、ヤングラプラスの式から算出される値の約2倍以上の内部圧力を有していることが確認された。したがって、気液混合液においては、より強固な界面構造が気泡界面において形成されていると結論づけられた。この強固な界面構造の気泡の中にオゾンを混合させれば浄化性能を発揮する気液混合液になるものである。 On the other hand, the internal pressure in the gas-liquid mixed liquid is 6.3 MPa in the case of nitrogen, for example, as shown in Table 1. In this gas-liquid mixed liquid, bubbles having a diameter of 100 nm are dispersed as shown in the SEM photograph. Therefore, it was confirmed that the bubbles of the gas-liquid mixture had an internal pressure that was about twice or more the value calculated from the Young Laplace equation. Therefore, it was concluded that a stronger interface structure was formed at the bubble interface in the gas-liquid mixture. If ozone is mixed into the bubbles having the strong interface structure, a gas-liquid mixed solution that exhibits purification performance is obtained.
[気泡の分布量]
気液混合液の気泡の分布量(個数)は表1から算出した。
[Bubble distribution]
The amount (number) of bubbles in the gas-liquid mixture was calculated from Table 1.
気体が窒素の場合、大気中(0.1MPa)に戻した気泡総量が0.56Lであり、気泡の内圧が6.3MPaであるので、水中での気泡総体積量V1は、等温変化と仮定し、PV=constより
V1=0.56×0.1÷6.3
となる。
When the gas is nitrogen, the total amount of bubbles returned to the atmosphere (0.1 MPa) is 0.56 L, and the internal pressure of the bubbles is 6.3 MPa. Therefore, the total volume V1 of bubbles in water is assumed to change isothermally, PV From = const
V1 = 0.56 × 0.1 ÷ 6.3
It becomes.
また、気泡は半径r=50nmの球体であるから、気泡1個当たりの体積V2は
V2=4/3×π×r^3
となる。
Since the bubbles are spheres with a radius r = 50 nm, the volume V2 per bubble is
V2 = 4/3 × π × r ^ 3
It becomes.
以上より、水1L当たりの気泡の個数n=V1÷V2=1.7×10^16個と算出される。 From the above, the number of bubbles per liter of water n = V1 ÷ V2 = 1.7 × 10 ^ 16 is calculated.
同じように水1L当たりの気泡の個数は、気体がアルゴンの場合は1.7×10^16個と算出される。また、オゾンを窒素に混合させた場合もほぼ同様な個数であると考えられる。 Similarly, the number of bubbles per liter of water is calculated as 1.7 × 10 ^ 16 when the gas is argon. Further, when ozone is mixed with nitrogen, it is considered that the number is almost the same.
[安定性]
図16は、空気を純水に混合させて生成した気液混合液について、ガラスビンに密封し一定温度で保管した場合の、飽和溶解濃度に対する気液混合液中の気体存在量比を過飽和度として表示するグラフである。グラフから、過飽和度は400時間経過しても6であり、ほとんど変化していないことが分かる。よって、気液混合液中の気泡が安定に存在することが確認された。また、オゾンを含有する気液混合液も同じように安定であると考えられる。
[Stability]
FIG. 16 shows the supersaturation as the ratio of gas abundance in the gas-liquid mixture with respect to the saturated dissolution concentration when the gas-liquid mixture produced by mixing air with pure water is sealed in a glass bottle and stored at a constant temperature. It is a graph to display. From the graph, it can be seen that the supersaturation level is 6 even after 400 hours and has hardly changed. Therefore, it was confirmed that the bubbles in the gas-liquid mixed liquid exist stably. Moreover, it is thought that the gas-liquid liquid mixture containing ozone is similarly stable.
[実施例2]
次亜塩素酸ナトリウムと水、及びオゾンを含ませた空気と水との気液混合液の2種類の溶液を使って、水中のFe2+を酸化し水酸化第二鉄として析出させた。次亜塩素酸ナトリウムで塩素処理した水の塩素濃度の初期値は10mg/Lであった。また、オゾンを含ませた空気と水の気液混合液のオゾン溶解濃度の初期値は0.2mg/Lであった。いずれの溶液も25℃で生成した。塩素濃度およびオゾン濃度は分光光度計にて測定した。
[Example 2]
Using two kinds of solutions of sodium hypochlorite and water and a gas-liquid mixture of air and water containing ozone, Fe 2+ in water was oxidized and precipitated as ferric hydroxide. The initial chlorine concentration of water chlorinated with sodium hypochlorite was 10 mg / L. The initial value of the ozone dissolution concentration of the gas-liquid mixture of air and water containing ozone was 0.2 mg / L. Both solutions were produced at 25 ° C. Chlorine concentration and ozone concentration were measured with a spectrophotometer.
図17のグラフのように、次亜塩素酸ナトリウムで塩素処理した水のFe2+濃度は初期0.78mg/Lであったものが時間経過に従い徐々に低下し、65分で0.1mg/Lまで低下した。一方、オゾンを含ませた空気と水の気液混合液のFe2+濃度は時間経過とともに低下するが、次亜塩素酸ナトリウムで塩素処理した水と比較すると析出させる効果は低かった。溶解したオゾンが酸化反応をおこし鉄を析出させるが、溶解したオゾンでの反応だけでナノ気泡内のオゾンを有効的に活用できなかったものと考えられる。 As shown in the graph of FIG. 17, the Fe 2+ concentration of water chlorinated with sodium hypochlorite was 0.78 mg / L at the beginning, but gradually decreased with time, and 0.1 mg / L in 65 minutes. It dropped to. On the other hand, the Fe 2+ concentration of the gas-liquid mixture of air and water containing ozone decreased with time, but the effect of precipitation was low compared to water chlorinated with sodium hypochlorite. The dissolved ozone causes an oxidation reaction to precipitate iron, but it is considered that the ozone in the nanobubbles could not be effectively utilized only by the reaction with the dissolved ozone.
そこでオゾンを含ませた空気と水の気体混合液を45℃に加温し、ナノ気泡を崩壊させることにより、即座に酸化処理を最大限に発揮させることを見いだした。図17のグラフのように経過時間23分(矢印aの時点)で25℃から45℃に加温すると急激にFe2+濃度が低下し、鉄が析出することが可能となった。 Therefore, it was found that the mixture of air and water containing ozone was heated to 45 ° C., and the nanobubbles were collapsed to instantly maximize the oxidation treatment. As shown in the graph of FIG. 17, when the temperature was increased from 25 ° C. to 45 ° C. at an elapsed time of 23 minutes (point of arrow a), the Fe 2+ concentration rapidly decreased and iron could be deposited.
A 浄化装置
S 気液混合液生成部
M オゾン溶解部
Lq 液体
1 加圧部
A Purification device S Gas-liquid mixture generation part M Ozone dissolution part Lq Liquid 1 Pressurization part
Claims (8)
ヤングラプラスの式
ΔP=2σ/r
[ΔP:気泡内部の上昇圧力、 σ:表面張力、 r:気泡半径]
The pressure of the gas which forms the bubble of a gas-liquid liquid mixture is a pressure higher than the internal pressure of the bubble given by the following Young Laplace's formula | equation, The any one of Claim 3 thru | or 7 characterized by the above-mentioned. Purification method.
Young Laplace's formula ΔP = 2σ / r
[ΔP: rising pressure inside the bubble, σ: surface tension, r: bubble radius]
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